雙晶直探頭對船用鑄鋼件的超聲波檢測

于學峰

（上海重型機械廠有限公司，上海 200245）

目前關于船用鑄鋼件（掛舵臂、后軸殼、上鑄鋼件和下鑄鋼件等）的機加工面（主要是內孔近表面）的檢驗主要是采用超聲波檢測技術。尤其是對要進行精加工的鑄鋼件，更要在精加工前用雙晶直探頭超聲波檢測法來發現缺陷，然后返修、復探，直至合格，以保證工件精加工后的表面質量。筆者介紹了采用雙晶直探頭對配套118000～400000t的散貨船和集裝箱船的大型船用鑄鋼件（材質為ZG16Mn）的內孔機加工面的超聲檢測方法，引入蜂窩狀缺陷的概念，以區別于單個點狀缺陷，并且探討了對缺陷的定性問題。

1 超聲檢測的準備

掛舵臂簡圖見圖1。要求檢測面的粗糙度應≤6.3μm；使用的雙晶直探頭規格為φ20×2／2～4MHz，焦距為15～20mm；超聲波探傷儀為A型脈沖反射式CTS－2200型；耦合劑為機油；雙晶直探頭用對比試塊如圖2所示，要求其檢測面粗糙度≤6.3μm，平底孔直徑為φ3mm，深度L分別為5，10，15，20，25，30，35，40，45mm。

圖1 掛舵臂簡圖

圖2 雙晶探頭平底孔試塊

2 超聲檢測過程

2.1 檢測系統的調試

2.1.1 制作 DAC曲線

將雙晶直探頭和超聲波探傷儀連接好后在雙晶試塊上進行調試。令對應于探頭焦距深度的平底孔的反射波高達熒光屏的80%，保持靈敏度不變，依次搜索到其它平底孔的反射波，并將各個波的最高點標注在熒光屏上，然后依次圓滑連接各點，制成DAC曲線。

2.1.2 耦合補償

視工件檢測面光潔度的具體情況，適當進行耦合補償，一般表面耦合補償4～6dB。

2.2 檢測方法

2.2.1 探頭掃查方式

對檢測面進行分段掃查，并對每段分別進行兩個方向互相垂直的掃查。掃查速度≤150mm／s，并應有10%的覆蓋率。探頭掃查時要使雙晶的隔聲層與掃查方向垂直。

2.2.2 偽缺陷波

一般情況下，雙晶探頭掃查時出現在始波之后的反射波基本上都是缺陷反射波。但是也有多種情況導致產生偽缺陷波。

（1）粗糙的機加工面引起的反射波，其特征是波形較寬，而且靜態波形有些顫抖。探頭掃查起來，其波形更寬或更高。而真正的缺陷反射波的靜態波形是比較穩定的。

（2）檢測面上局部凹凸不平引起的反射波與正常缺陷反射波沒有明顯區別，其波形與單個的點狀缺陷的反射波很相似，其靜態波形較穩定且獨立，或高或低，不過可重復性差。

對于上述兩種情形引起的偽缺陷波，只要將探測面修整到符合檢測要求即可防止偽缺陷波的出現。

2.2.3 缺陷的評定

實踐證明，雙晶直探頭檢測鑄件時最好結合缺陷的動態波形來評定缺陷。缺陷的動態波形即隨著探頭的移動，反射波在熒光屏上的變化軌跡，亦即回波的包絡線。從動態波形上可以得知缺陷的分布情況、走向和缺陷的大致深度范圍以及特征。與只靠觀察缺陷的靜態波形來分析缺陷的方法相比，通過觀察缺陷的動態波形有助于提高檢測速度和對缺陷的準確定性。

通常情況下，為了保證船用件精加工后的表面質量應按下述原則評定缺陷：

（1）反射波達到或超過DAC線并且為非點狀的缺陷為不合格。

（2）反射波雖然未達到DAC線但屬于蜂窩狀的缺陷為不合格。

3 幾種典型鑄造缺陷反射波的特征及其機理

由于鑄件具有組織疏松、不均勻、晶粒粗大的材質特點，所以容易形成所謂的蜂窩狀缺陷。蜂窩狀缺陷即由集中或分散的縮孔、氣孔和夾渣所組成，缺陷形狀多像蜂窩。蜂窩狀缺陷可以分為縮孔型、氣孔型和夾渣型三種。縮孔型蜂窩狀缺陷主要由縮孔組成，伴有氣孔和夾渣；氣孔型蜂窩狀缺陷主要由氣孔組成，伴有縮孔和夾渣；夾渣型蜂窩狀缺陷主體是夾渣或同時伴有其它缺陷。下面是用雙晶直探頭對大量船用鑄鋼件機加工面進行檢測后，所發現的三種蜂窩狀缺陷的波形特征。

3.1 縮孔型蜂窩狀缺陷的波形特征

縮孔型蜂窩狀缺陷的反射波呈束狀，波底寬大，波峰分枝，主反射波有時出現幾個，在主反射波附近常伴有小反射波。這是因為縮孔型蜂窩狀缺陷以縮孔為主，縮孔內壁凹凸不平，同時由于鋼液收縮而出現孔洞，樹枝狀晶在這里可以自由生長，所以縮孔壁上都有發達的樹枝晶。另外縮孔中存在氣體或處于真空狀態，聲壓反射率很高。雖然聲波在介面上的散射嚴重，但在同一波陣面上的反射體仍能形成較強的反射信號，因此缺陷波強烈，主缺陷波1～2個。再因為縮孔周圍常伴有夾渣、夾雜物和不同波陣面反射波的時間不同，在主缺陷波周圍形成了許多小缺陷波，同時造成了波峰分枝的特征。縮孔型蜂窩狀缺陷的波形及實物見圖3。

3.2 氣孔型蜂窩狀缺陷的波形特征

氣孔型蜂窩狀缺陷的反射波不高，波峰尖銳，缺陷反射波為多個尖脈沖成撮分布。這是因為氣孔內壁光滑，多呈球形，其反射聲壓與球形反射體相似。入射到氣孔上的超聲波向各個方向反射，返回探頭的聲波較少。在缺陷直徑相同的情況下，球形缺陷反射波的聲壓與直徑成正比，而圓形平面反射體的反射波聲壓則與直徑的平方成正比。因而氣孔型缺陷反射波聲壓比同直徑的平面缺陷反射波小得多，其波形及實物見圖4。

3.3 夾渣型蜂窩狀缺陷的波形特征

夾渣型蜂窩狀缺陷的反射波特征是缺陷波呈束狀，一兩個主缺陷波附近常伴有許多小缺陷波，波峰分枝，波頭圓鈍而不清晰。缺陷波幅度較高，但降低靈敏度時，缺陷波下降速度較快。這是因為夾渣型蜂窩狀缺陷具有大塊夾渣物的聲學特征。夾渣雖然破壞了鋼的連續性，但缺陷處仍填有固體物質，具有一定的透聲性能。而由于夾渣與鋼的聲阻抗之差異，使得夾渣又具有良好的聲學反射特性。其波形及實物見圖5。

4 結語

總結了用雙晶直探頭檢測鑄鋼件所得反射波的特征，有助于對缺陷正確定性，從而正確評定缺陷。

結合觀察缺陷反射波的動態波形有助于快速缺陷定位、定量和定性（單個點狀或密集或蜂窩狀等）。

采用2～4MHz、焦距15～20mm雙晶直探頭，φ3mm靈敏度，對船用鑄鋼件粗加工面進行超聲檢測，是確保精加工后無缺陷外露的較好的檢測技術。

［1］曾義雄，陳雷.1000WM中壓外缸的超聲波檢查與缺陷處理［J］.無損檢測，2010，32（5）：27.

［2］石劍.超聲波檢測中61°和45°缺陷發射波形的識別［J］.無損檢測，2009，31（5）：367.